用于抓取傾倒垃圾桶的多自由度機(jī)械臂

□ 王青鋒 □ 郭廣順 □ 馬德彬 □ 焦佳寶

1.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 河北唐山 0632102.華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河北唐山 063210

1 設(shè)計(jì)背景

在人口密集的場(chǎng)所,垃圾桶的抓取與傾倒對(duì)于保潔人員而言難度較大[1-2]。大型小區(qū)的樓層多,垃圾桶數(shù)量多,依靠人工手動(dòng)抓取垃圾桶,步行收集垃圾，不僅清潔效率低下,而且不衛(wèi)生[3-6]。針對(duì)這一問(wèn)題,筆者設(shè)計(jì)了一款專門用于在小區(qū)樓層間抓取并傾倒垃圾桶的多自由度機(jī)械臂[7-8]。

圖1所示為安裝在履帶車體上的多自由度機(jī)械臂。這一多自由度機(jī)械臂可以通過(guò)履帶車體在樓層中上下移動(dòng),有效提高清潔人員的工作效率,節(jié)約工作時(shí)間,還可以避免在抓取垃圾桶過(guò)程中發(fā)生意外脫落事故,安全可靠[9-10]。

▲圖1 安裝在履帶車體上的多自由度機(jī)械臂

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用SoildWorks軟件構(gòu)建用于抓取并傾倒垃圾桶的多自由度機(jī)械臂三維模型,如圖2所示。

▲圖2 多自由度機(jī)械臂三維模型

由圖2可知,多自由度機(jī)械臂由直角機(jī)構(gòu)、弧形抓取手、滑軌式連桿機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤、機(jī)械支撐架、圓形底座及電機(jī)組成。弧形抓取手前端的弧線設(shè)計(jì),可增大與垃圾桶的接觸面積,使垃圾桶的抓取更容易。直角機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可有效將電機(jī)的扭矩傳遞至下一機(jī)構(gòu),同時(shí)在抓取手處于閉合狀態(tài)時(shí)相互鎖死,防止垃圾桶在抓取過(guò)程中意外脫落。電機(jī)啟動(dòng)時(shí),通過(guò)嵌入式配合帶動(dòng)滑軌式連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),將電機(jī)的扭矩傳遞至弧形抓取手,并根據(jù)垃圾桶的大小調(diào)節(jié)滑軌式連桿機(jī)構(gòu)的行進(jìn)長(zhǎng)度,調(diào)整弧形抓取手的開合角度,實(shí)現(xiàn)弧形抓取手的張開與閉合,完成對(duì)垃圾桶的有效抓取。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂圓形底座上的電機(jī)5,可實(shí)現(xiàn)多自由度機(jī)械臂的360°旋轉(zhuǎn)。在抓取垃圾桶后，由機(jī)械臂上的電機(jī)2、電機(jī)3和電機(jī)4共同完成垃圾桶的上升與下降動(dòng)作,保證垃圾桶抓取過(guò)程的平穩(wěn)性與快速性。轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤主要起支撐作用,保證前端弧形抓取手抓取動(dòng)作的穩(wěn)定。

3 傾倒垃圾動(dòng)作

多自由度機(jī)械臂傾倒垃圾的動(dòng)作可通過(guò)電機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤、弧形抓取手等實(shí)現(xiàn)。電機(jī)1旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)直角機(jī)構(gòu)閉合,從而帶動(dòng)滑軌式連桿機(jī)構(gòu)前后滑動(dòng),由弧形抓取手抓取垃圾桶。抓取垃圾桶后,啟動(dòng)電機(jī)3、電機(jī)4，將桶調(diào)整到適當(dāng)高度；啟動(dòng)電機(jī)5，將垃圾桶移動(dòng)到垃圾回收位置；啟動(dòng)電機(jī)2，將嵌入轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤的弧形抓取手旋轉(zhuǎn)180°,使垃圾桶呈倒立狀態(tài),實(shí)現(xiàn)傾倒垃圾的動(dòng)作。完成傾倒垃圾動(dòng)作后,啟動(dòng)電機(jī)2，使機(jī)械臂前端弧形抓取手反轉(zhuǎn)180°,垃圾桶由倒立狀態(tài)變?yōu)樨Q直狀態(tài),再經(jīng)由電機(jī)3、電機(jī)4、電機(jī)5動(dòng)作，將垃圾桶放回原位。

4 結(jié)束語(yǔ)

用于抓取傾倒垃圾桶的多自由度機(jī)械臂具有六個(gè)自由度,靈活性和實(shí)用性都大大提高。設(shè)計(jì)可調(diào)整長(zhǎng)度的滑軌式連桿機(jī)構(gòu)，可有效調(diào)節(jié)弧形抓取手的開合角度。設(shè)計(jì)直角機(jī)構(gòu)，可以在弧形抓取手閉合狀態(tài)達(dá)到最小位置時(shí),依靠機(jī)械外形結(jié)構(gòu)相互鎖死,防止垃圾桶在抓取過(guò)程中意外脫落，既保證了安全性,又實(shí)現(xiàn)了可靠抓取、傾倒垃圾桶。這一多自由度機(jī)械臂具有較高的效率,值得推廣。